CN110849279A - 一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，具体包括如下步骤：步骤1，获得待测螺纹左侧牙侧角β₀和右侧牙侧角γ₀；步骤2，采用机器视觉方法的影像测量仪器获得待测螺纹的左侧牙侧角β₁和右侧牙侧角γ₁；步骤3，求螺纹右侧牙侧角变动量和左侧牙侧角变动量；步骤4，分别计算上侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量与下侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量；步骤5，计算螺纹上、下侧左、右牙侧角修正的中径总补偿量Δd₂；步骤6，对影像测量仪或机器视觉方法测量得到的单个牙螺纹中径d_2C进行补偿，获得螺纹中径d₂；步骤7，递推获得n个牙的螺纹中径各自补偿量。解决了目前机器视觉螺纹测量中难以得到精确获得螺纹中径参数的问题。

Description

一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法

技术领域

本发明属于螺纹测量技术领域，涉及一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法。

背景技术

螺纹中径被定义为螺纹轴截面上牙宽等于牙槽宽的假想圆柱直径，实现其精确测量一直是螺纹测量的难题。传统方法采用三针法可以近似实现螺纹中径测量，测量时需要针对不同螺距选择量针，且测量过程由人工完成，测量效率低下。采用背光源机器视觉方法检测螺纹可以方便地获取螺纹牙廓，进而获取螺纹各项参数，近年来得到广泛应用。对螺纹牙廓图像采用适当的图像处理算法，可以方便地得到螺纹牙两侧斜率，即螺纹牙侧角。然而，这种方法获得的牙侧角受到螺纹牙廓失真的影响，造成机器视觉螺纹参数测量精度不高。螺纹参数定义为螺纹轴截面参数，由于螺纹牙侧面为一定螺旋升角的连续曲面，对于螺纹牙相邻螺纹牙侧投影图像，其一面会受到轴截面后延伸螺旋面重叠影响，而另一侧面则会受到轴截面前螺旋面遮挡，造成牙形失真。由于不同直径、螺距螺纹受遮挡或重叠影响程度差异很大，而且螺纹成像还受到现场的光源、螺纹材质及表面质量的影响，对螺纹中径进行理论补偿效果不佳。螺纹现场制造过程中，用同一刀具可以方便地制造没有螺旋升角的螺纹牙廓环沟，对特定设备在现场条件下而言，以没有螺旋升角的螺纹牙廓环沟与有螺旋升角的螺纹牙比对，可以方便地获取螺纹牙侧角补偿量。根据牙侧角补偿量，如果能找到对应螺纹牙中径补偿方法，则可以较为精确地获取到螺纹旋合的重要参数螺纹中径。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，解决了目前机器视觉螺纹测量中难以得到精确获得螺纹中径参数的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，具体包括如下步骤：

步骤1，获得待测螺纹左侧牙侧角β₀和右侧牙侧角γ₀；

步骤2，采用机器视觉方法的影像测量仪器获得待测螺纹的左侧牙侧角β₁和右侧牙侧角γ₁；

步骤3，根据步骤1和步骤2所得结果求螺纹右侧牙侧角变动量和左侧牙侧角变动量；

步骤4，分别计算上侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量d_2T与下侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量d_2B

步骤5，根据步骤4所得结果计算螺纹上、下侧左、右牙侧角修正的中径总补偿量Δd₂；

步骤6，对影像测量仪或机器视觉方法测量得到的单个牙螺纹中径d_2C进行补偿，获得螺纹中径d₂；

步骤7，根据步骤6所得结果，递推获得n个牙的螺纹中径各自补偿量。

本发明的特点还在于，

步骤3的具体过程为：

右侧牙侧角变动量如下：

θ_R＝γ₁-γ₀；

左侧牙侧角变动量如下：

θ_L＝β₁-β₀。

步骤4的具体过程为：

采用如下公式(3)计算上侧螺纹中径右侧单边补偿量：

其中，d_2TR是上侧螺纹中径右侧单边补偿量，θ_R是上侧螺纹右侧牙侧角修正量；

采用如下公式(4)计算上侧螺纹中径左侧单边补偿量：

其中，d_2TL是上侧螺纹中径左侧单边补偿量，θ_L是上侧螺纹左侧牙侧角修正量；

采用如下公式(5)计算上侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量：

d_2T＝d_2TR+d_2TL (5)；

采用如下公式(6)计算下侧螺纹中径右侧单边补偿量d_2BR：

其中，θ’_R是下侧螺纹右侧牙侧角修正量；

采用如下公式(7)计算下侧螺纹中径左侧单边补偿量d_2BL：

其中，θ’_L是下侧螺纹左侧牙侧角修正量；

下侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量为：

d_2B＝d_2BR+d_2BL (8)。

步骤5的具体过程为：

采用如下公式(9)计算螺纹上、下侧左、右牙侧角修正的中径总补偿量：

Δd₂＝d_2T+d_2B (9)。

步骤6的具体过程为：

采用如下公式(10)计算螺纹中径d₂：

d₂＝d_2C-Δd₂ (10)。

步骤7的具体过程为：

对有n个牙的螺纹，利用每对螺纹上、下牙图像测得的中径依次为

依次减去Δd₂，即

其中，i＝1，2，……，n；

对外螺纹，当以最大中径作为测量结果时，可得

本发明的有益效果为：

(1)为实现高效率情况下较高精度螺纹中径测量解决了关键技术难题。

(2)针对垂直投影方法机器视觉螺纹牙廓失真的问题，给出了机器视觉螺纹中径参数测量的有效补偿方法，提高了机器视觉螺纹中径测量的精度。

(3)为实现机器视觉螺纹在线测量提供了技术基础。

附图说明

图1是本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法中螺纹图像上侧螺纹牙右牙侧角增大时中径补偿量计算几何示意图；

图2是本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法中螺纹图像下侧螺纹牙左牙侧角增大时中径补偿量计算几何示意图；

图3是本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法中螺纹中径补偿量计算几何示意图；

图4是本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法中所采用的一种螺纹牙侧角变动量求解方法实验装置的结构示意图；

图5是本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法中采用的一种螺纹牙侧角变动量求解方法计算几何示意图；

图6是本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法中单螺纹牙螺纹中径补偿计算几何示意图。

图中，1.顶尖夹具，2.螺纹零件样件，3.图像传感器，4.平行背光源，5.XY二维工作台。

具体实施方式

本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，涉及机器视觉螺纹牙廓图像通过比对方法获得牙侧角变动量后，利用该变动量实现中径补偿的方法。

如图所示1，由于螺纹牙侧面螺旋升角影响，利用垂直于螺纹轴线的光束所得的螺纹影像会发生失真现象，而且螺纹牙两侧牙廓失真程度并不相同。

如图1中所示，设比对牙廓(即无螺旋升角螺纹环沟面牙廓)为牙廓P₁A₁、P₁B₁，且P₁A₁斜率为K_L1，P₁B₁斜率为K_R1，A₁A₂为比对牙廓牙1与牙2中径所在位置，即A₁B₁＝B₁A₂，当获取的待测螺纹牙侧角相对比对牙廓有变动量θ时，螺纹中径上移A′₁A′₂，根据中径定义，此时P_h是螺距；然后做如图所示P₁E₁，P₁E′₁分别垂直于A₁B ₁和A′₁A′₂，利用图中几何关系可以得到：

对米制螺纹，当其理论牙型角α取为30度，θ趋近于零时，螺纹牙廓因牙侧角变动θ引起的单边中径变化量可简化为：

上述式(1)是上侧螺纹牙侧角增大引起的中径单边变动量；同样，如图2所示，当下侧螺纹牙侧角增大引起的中径单边变动量可由(2)计算：

无论哪种制式螺纹，其直径、螺距、牙型角等尺寸参数均已规格化，而且在某一直径下其螺距是有限的，相同直径和螺距的螺纹，尽管制造过程中牙廓会有微小差异，所投影图像也会随着环境而变化，但就一台仪器对一种尺寸规格螺纹在其应用环境而言，其螺牙两侧遮挡或重叠造成的影响基本相同，即对螺纹牙廓斜率影响量分别相同，找到每种规格螺纹在设定应用环境下对牙廓两侧牙侧角的影响量，就可以实现螺纹中径的补偿。

螺纹牙侧角变动量至少可以采用以下两种方法中的一种获得。

方法1：

螺纹牙廓两侧遮挡或重叠对各自侧边的牙侧角影响程度并不相同，利用较高精度仪器测量螺纹牙两侧牙侧角，将其与影像测量仪获得的失真后的螺纹牙两侧牙侧角分别求差，就能获得该规格螺纹牙两侧牙侧角各自补偿量。如图3所示，如果某螺纹牙用某种高精度触针式螺纹扫描设备获得的牙侧角分别为左侧角γ₀和右侧角β₀，而由机器视觉螺纹投影图像获取的左侧角γ₁和右侧角β₁，则牙侧角变动量分别为θ_R＝γ₁-γ₀

和

θ_L＝β₁-β₀

方法2：

螺纹牙侧角补偿量也可通过影像测量仪测量特制螺纹试件方法来获得；如图4所示，实验装置包括顶尖夹具1、螺纹零件样件2、图像传感器3、平行背光源4、XY二维工作台5；利用影像测量仪的图像传感器2、XY移动工作台5、平行背光源4可以分别获取同一螺纹制造刀具制造螺纹零件样件2，螺纹零件样件2上有螺旋升角的螺纹b和无螺旋升角的螺牙环沟a，二者牙侧角之差也可获得牙侧角补偿量。如图5所示，如果用影像测量仪获得无螺旋升角的螺牙环沟a的左侧角γ₀和右侧角β₀，而由有螺旋升角螺纹b投影图像获取的左侧角γ₁和右侧角β₁，则牙侧角变动量分别为右侧牙侧角变动量

θ_R＝γ₁-γ₀

和左侧牙侧角变动量

θ_L＝β₁-β₀

以60°牙型角的三角螺纹为例，本发明一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，具体包括如下步骤：

步骤1，对待测螺纹某规格型号，用高精度接触式量仪(实际应用中可为高一个等级的量仪)获得其左侧牙侧角β₀和右侧牙侧角γ₀；

步骤2，采用机器视觉方法的影像测量仪器获得某种待测规格型号螺纹的左侧牙侧角β₁和右侧牙侧角γ₁；

步骤3，分别求得右侧牙侧角变动量和左侧牙侧角变动量：

θ_R＝γ₁-γ₀

θ_L＝β₁-β₀

步骤4，如图6所示，采用如下公式(3)计算上侧螺纹中径右侧单边补偿量，

式中d_2TR是上侧螺纹中径右侧单边补偿量，θ_R是上侧螺纹右侧牙侧角修正量；

采用如下公式(4)计算上侧螺纹中径左侧单边补偿量：

式中d_2TL是上侧螺纹中径左侧单边补偿量，θ_L是上侧螺纹左侧牙侧角修正量；

d_2T＝d_2TR+d_2TL (5)；

式中d_2T是上侧螺纹中径左、右两侧边补偿量之和，d_2TL是上侧螺纹中径左侧单边补偿量，d_2TR是上侧螺纹中径右侧单边补偿量；

对下侧螺纹中径右侧单边补偿量，用式(6)计算

式中d_2BR是下侧螺纹中径右侧单边补偿量，θ’_R是下侧螺纹右侧牙侧角修正量；

对下侧螺纹中径左侧单边补偿量，用式(7)计算

式中d_2BL是下侧螺纹中径左侧单边补偿量，θ’_L是下侧螺纹左侧牙侧角修正量；

d_2B＝d_2BR+d_2BL (8)；

式中d_2B是下侧螺纹中径左、右两侧边补偿量之和，d_2BR是下侧螺纹中径右侧单边补偿量，d_2BL是下侧螺纹中径左侧单边补偿量；

步骤5，总补偿量为Δd₂＝d_2T+d_2B (9)；

Δd₂是螺纹上、下侧左、右牙侧角修正的中径总补偿量；

步骤6，对影像测量仪或机器视觉方法测量得到的中径d_2C，进行补偿，获得螺纹中径d₂：

d₂＝d_2C-Δd₂ (10)；

步骤7，对有n个牙的螺纹而言，利用每对螺纹上、下牙图像(即机器视觉方法)测得的中径依次为

依次减去Δd₂，即

对外螺纹，当以最大中径作为测量结果时，可得

Claims (6)

1.一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1，获得待测螺纹左侧牙侧角β₀和右侧牙侧角γ₀；

步骤2，采用机器视觉方法的影像测量仪器获得待测螺纹的左侧牙侧角β₁和右侧牙侧角γ₁；

步骤3，根据步骤1和步骤2所得结果求螺纹右侧牙侧角变动量和左侧牙侧角变动量；

步骤4，分别计算上侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量d_2T与下侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量d_2B

步骤5，根据步骤4所得结果计算螺纹上、下侧左、右牙侧角修正的中径总补偿量Δd₂；

步骤6，对影像测量仪或机器视觉方法测量得到的单个牙螺纹中径d_2C进行补偿，获得螺纹中径d₂；

步骤7，根据步骤6所得结果，递推获得n个牙的螺纹中径各自补偿量。

2.根据权利要求1所述的一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：

右侧牙侧角变动量如下：

θ_R＝γ₁-γ₀；

左侧牙侧角变动量如下：

θ_L＝β₁-β₀。

3.根据权利要求2所述的一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：

采用如下公式(3)计算上侧螺纹中径右侧单边补偿量：

其中，d_2TR是上侧螺纹中径右侧单边补偿量，θ_R是上侧螺纹右侧牙侧角修正量；

采用如下公式(4)计算上侧螺纹中径左侧单边补偿量：

其中，d_2TL是上侧螺纹中径左侧单边补偿量，θ_L是上侧螺纹左侧牙侧角修正量；

采用如下公式(5)计算上侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量：

d_2T＝d_2TR+d_2TL(5)；

采用如下公式(6)计算下侧螺纹中径右侧单边补偿量d_2BR：

其中，θ’_R是下侧螺纹右侧牙侧角修正量；

采用如下公式(7)计算下侧螺纹中径左侧单边补偿量d_2BL：

其中，θ’_L是下侧螺纹左侧牙侧角修正量；

下侧螺纹中径左、右两侧边总补偿量为：

d_2B＝d_2BR+d_2BL(8)。

4.根据权利要求3所述的一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：

采用如下公式(9)计算螺纹上、下侧左、右牙侧角修正的中径总补偿量：

Δd₂＝d_2T+d_2B(9)。

5.根据权利要求4所述的一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，其特征在于：所述步骤6的具体过程为：

采用如下公式(10)计算螺纹中径d₂：

d₂＝d_2C-Δd₂(10)。

6.根据权利要求5所述的一种机器视觉测量螺纹中径的补偿方法，其特征在于：所述步骤7的具体过程为：

对有n个牙的螺纹，利用每对螺纹上、下牙图像测得的中径依次为

依次减去Δd₂，即

其中，i＝1，2，……，n；

对外螺纹，当以最大中径作为测量结果时，可得

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